摘要： 當(dāng)前，義務(wù)教育階段尚未出臺(tái)人工智能課程標(biāo)準(zhǔn)，中小學(xué)人工智能教育缺乏統(tǒng)一的課程資源，大部分人工智能讀物中的技術(shù)復(fù)雜難懂，讓學(xué)生敬而遠(yuǎn)之?！拜p人工智能”理念即為改變這一現(xiàn)狀而提出的，它以智能感知為主要研究對(duì)象，以計(jì)算機(jī)視覺(jué)與圖像處理作為課程的主體內(nèi)容，并通過(guò)設(shè)計(jì)輕人工智能課程框架、梳理輕人工智能知識(shí)圖譜、與生活與學(xué)習(xí)深度融合等策略，降低中小學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的難度。

關(guān)鍵詞：輕人工智能;人工智能教育;項(xiàng)目學(xué)習(xí);計(jì)算機(jī)視覺(jué);圖像處理

自2017年國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》起，人工智能教育就作為高頻詞經(jīng)常出現(xiàn)在廣大教育工作者視野中。2018年，教育部進(jìn)一步明確，要“構(gòu)建人工智能多層次教育體系，在中小學(xué)階段引入人工智能普及教育”。與政策要求相呼應(yīng)，全國(guó)各地積極布局規(guī)劃人工智能教育，有的利用地域優(yōu)勢(shì)，與高校合作開(kāi)展人工智能專業(yè)課程的先修課;有的與研究機(jī)構(gòu)或智能設(shè)備企業(yè)合作，共同研究人工智能教育的課程框架。我校與人工智能教育的“第一次親密接觸”發(fā)生在2018年。當(dāng)時(shí)，學(xué)生在完成創(chuàng)客項(xiàng)目的過(guò)程中需要增加人工智能視覺(jué)識(shí)別的內(nèi)容，由此引發(fā)師生對(duì)人工智能教育的研究和探索。為少走彎路，我們采取了與研究機(jī)構(gòu)合作的方式，希望在專家的帶領(lǐng)下，運(yùn)用人工智能前沿技術(shù)解決身邊發(fā)生的真實(shí)問(wèn)題。這一年，我們?cè)诘诙n堂上增設(shè)了人工智能教育相關(guān)的內(nèi)容。經(jīng)過(guò)兩年的嘗試與積累，2020年正式將人工智能教育內(nèi)容納入常規(guī)課堂，面向所有學(xué)生開(kāi)設(shè)。

一、“輕人工智能”理念的提出

人工智能教育是提升學(xué)生人工智能素養(yǎng)的泛學(xué)科性教育，旨在培養(yǎng)學(xué)生理解和掌握人工智能的知識(shí)、原理，體驗(yàn)和實(shí)踐人工智能技術(shù)，并運(yùn)用技術(shù)嘗試創(chuàng)造性解決實(shí)際問(wèn)題的能力。我們?cè)趪L試人工智能教育時(shí)發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)與應(yīng)用抱有很大熱情，但對(duì)于部分人工智能學(xué)科分支，他們是無(wú)法理解的，或者說(shuō)他們的生活經(jīng)驗(yàn)不足以支撐其感受到技術(shù)應(yīng)用的場(chǎng)景。如果教師在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、知識(shí)應(yīng)用方面把握不當(dāng)，很容易使學(xué)生的熱情迅速減退，認(rèn)為人工智能技術(shù)復(fù)雜、難懂，繼而敬而遠(yuǎn)之。

經(jīng)過(guò)咨詢?nèi)斯ぶ悄軐I(yè)人士，我們深切體會(huì)到，中小學(xué)人工智能課程不能上成大學(xué)先修課。在中小學(xué)階段設(shè)置的人工智能課程，應(yīng)該以中小學(xué)生能夠理解與實(shí)施為主要依據(jù)，以人工智能應(yīng)用體驗(yàn)和簡(jiǎn)單的人工智能技術(shù)學(xué)習(xí)為主要內(nèi)容。為此，我們提出了“輕人工智能”的理念。所謂“輕人工智能”，即人工智能的輕度應(yīng)用。其研究范疇可界定為中小學(xué)生能夠理解與實(shí)施的人工智能技術(shù)。在人工智能研究的各領(lǐng)域中，適于中小學(xué)生理解與學(xué)習(xí)的內(nèi)容包括：語(yǔ)音識(shí)別、TTS、計(jì)算機(jī)視覺(jué)與圖像處理等。語(yǔ)音識(shí)別和TTS屬于較為成熟的技術(shù)。在教學(xué)時(shí)，教師應(yīng)側(cè)重于讓學(xué)生體驗(yàn)人工智能的應(yīng)用，尤其是同一技術(shù)在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用，感受人工智能對(duì)生活的影響。計(jì)算機(jī)視覺(jué)與圖像處理相對(duì)容易可視化，且學(xué)生也較易理解其相關(guān)原理，計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的部分算法也易于向?qū)W生開(kāi)放，學(xué)生有自主設(shè)計(jì)模型的可能性。因此，輕人工智能課程更多聚焦在計(jì)算機(jī)視覺(jué)與圖像處理領(lǐng)域。

由此，我們將“輕人工智能”理念進(jìn)一步完善為：以智能感知為主要研究對(duì)象，以計(jì)算機(jī)視覺(jué)與圖像處理作為課程的主體內(nèi)容，學(xué)生在學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)的同時(shí)，感受人工智能在學(xué)習(xí)與生活中的應(yīng)用，同時(shí)嘗試應(yīng)用人工智能技術(shù)來(lái)改善學(xué)習(xí)與生活場(chǎng)景，提高學(xué)習(xí)與生活的效率?；谝陨侠砟睿倚Ｓ?019年初聯(lián)合順德區(qū)以及粵東、粵西、粵北共24所學(xué)校結(jié)成“輕人工智能作品制作與創(chuàng)意”實(shí)踐共同體，帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)人工智能，從簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)模擬人工智能到輕人工智能的探索與應(yīng)用研究，使學(xué)生利用軟硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人工智能應(yīng)用，制作相應(yīng)的人工智能作品。

二、輕人工智能課程框架設(shè)計(jì)

目前，中小學(xué)開(kāi)展人工智能教育最大的障礙是沒(méi)有統(tǒng)一的課程資源。由于義務(wù)教育階段尚未出臺(tái)人工智能課程標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，各機(jī)構(gòu)、企業(yè)出版的人工智能讀物良莠不齊、標(biāo)準(zhǔn)不一，甚至有誤導(dǎo)成分。這對(duì)我們開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐造成了一定的困擾。因此，輕人工智能課程內(nèi)容的建設(shè)就顯得尤為重要。

輕人工智能課程的開(kāi)設(shè)，需要學(xué)習(xí)一些前置課程。這些課程包括程序設(shè)計(jì)和開(kāi)源硬件。我校自2008年起就從項(xiàng)目學(xué)習(xí)開(kāi)始著手改革課堂教學(xué)，逐漸加入趣味程序設(shè)計(jì)、3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)、開(kāi)源硬件等課程。如今，這些課程已經(jīng)融入常規(guī)教學(xué)。在七年級(jí)學(xué)生剛?cè)胄r(shí)，他們?cè)谛畔⒓夹g(shù)課堂上就開(kāi)始了項(xiàng)目學(xué)習(xí)之旅。在教師的引領(lǐng)下，他們?cè)凇暗聞俅笏巡椤表?xiàng)目中經(jīng)歷了項(xiàng)目學(xué)習(xí)的全過(guò)程，接下來(lái)通過(guò)“海報(bào)制作”項(xiàng)目進(jìn)一步加深對(duì)項(xiàng)目學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí)與理解，“趣味程序設(shè)計(jì)”項(xiàng)目又培養(yǎng)了他們的軟件工程思維。學(xué)生學(xué)完程序設(shè)計(jì)之后，“IoT入門(mén)”項(xiàng)目緊接著引入開(kāi)源硬件，讓學(xué)生把計(jì)算機(jī)程序的輸入、輸出延伸到硬件上，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)如何利用傳感器采集和應(yīng)用數(shù)據(jù)?！?D創(chuàng)意設(shè)計(jì)”項(xiàng)目則運(yùn)用CDIO工程教育模式，讓學(xué)生的項(xiàng)目學(xué)習(xí)更上一層樓。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目不是孤立的，它還與很多周圍環(huán)境相關(guān)，上述項(xiàng)目的經(jīng)歷會(huì)讓學(xué)生像產(chǎn)品經(jīng)理那樣思考和設(shè)計(jì)制作作品。

有了這些前置課程做準(zhǔn)備，我們?cè)诎四昙?jí)的下學(xué)期把人工智能中的計(jì)算機(jī)視覺(jué)知識(shí)移植到課堂上。在課程設(shè)置上，我們安排了“初識(shí)人工智能”的科普內(nèi)容，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)將要學(xué)習(xí)的軟件與硬件設(shè)備，然后通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)“會(huì)學(xué)習(xí)的程序”拉開(kāi)人工智能學(xué)習(xí)的序幕。接下來(lái)，學(xué)生先學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)視覺(jué)中最基礎(chǔ)的圖像獲取、顏色識(shí)別、色塊追蹤、幾何圖形識(shí)別與繪畫(huà)，了解到人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)內(nèi)容，再接觸最簡(jiǎn)單的TensorFlow模型和YOLO模型，經(jīng)歷模型訓(xùn)練的過(guò)程，自己去采集訓(xùn)練所需要的數(shù)據(jù)。最后，學(xué)生把所學(xué)到的人工智能技術(shù)應(yīng)用到學(xué)習(xí)與生活中的真實(shí)場(chǎng)景。根據(jù)上述實(shí)踐探索，我們構(gòu)建了表1所示的輕人工智能課程框架。

三、輕人工智能教育實(shí)施

（一）通過(guò)外聘專家，快速提升教師專業(yè)能力

兵馬未動(dòng)，糧草先行。要開(kāi)展人工智能教育，首先需要有足夠的師資力量。但教師們?cè)诖髮W(xué)期間并未接受過(guò)人工智能專業(yè)教育，甚至連人工智能技術(shù)都未曾接觸過(guò)，而目前各類人工智能師資培訓(xùn)，往往是智能硬件企業(yè)主導(dǎo)的操作性培訓(xùn)，或者是一些“發(fā)燒友”教師的示范性培訓(xùn)，存在著技術(shù)片面或方向不明確等問(wèn)題?？紤]到人工智能師資培訓(xùn)必須專業(yè)且方向正確，經(jīng)過(guò)考察我們最終決定從香港中文大學(xué)深圳研究院聘請(qǐng)全球排名前十的人工智能先鋒實(shí)驗(yàn)室的研究員為學(xué)生授課。從2018年起，每年研究員們都會(huì)通過(guò)學(xué)校舉辦的人工智能夏令營(yíng)和冬令營(yíng)活動(dòng)，開(kāi)展人工智能的入門(mén)與進(jìn)階培訓(xùn)。全體信息技術(shù)教師參與其中，與學(xué)生一起學(xué)習(xí)人工智能的入門(mén)知識(shí)與技術(shù)。這些培訓(xùn)開(kāi)闊了教師的視野，讓他們了解到人工智能領(lǐng)域最前沿的技術(shù)，在設(shè)計(jì)項(xiàng)目學(xué)習(xí)課程時(shí)，他們也更有能力指導(dǎo)學(xué)生利用人工智能技術(shù)去解決生活中實(shí)際問(wèn)題。

（二）基于學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，選擇適切的教學(xué)內(nèi)容

近年來(lái)，各類冠以“人工智能”的研討會(huì)和培訓(xùn)活動(dòng)鋪天蓋地。但當(dāng)我們細(xì)看這些活動(dòng)的內(nèi)容時(shí)，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)它們還是編程教育、機(jī)器人教育、創(chuàng)客教育或STEM教育等，真正涉及人工智能的活動(dòng)較少，而關(guān)于人工智能教育的活動(dòng)更少。面對(duì)如此眼花繚亂的活動(dòng)，如何為學(xué)生選擇適合的教學(xué)內(nèi)容成了重要問(wèn)題。人工智能是一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，而它又與上述學(xué)科有著交叉關(guān)系。目前，人工智能學(xué)科的知識(shí)體系已經(jīng)趨于完善，只是大部分內(nèi)容對(duì)于中小學(xué)生來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜，不適合在中小學(xué)教育體系中學(xué)習(xí)。為此，我們與專家一起梳理人工智能入門(mén)的知識(shí)點(diǎn)，并從中篩選出輕人工智能的技術(shù)范疇（如圖1）。

在輕人工智能知識(shí)內(nèi)容的選擇上，我們參考專家意見(jiàn)，從知識(shí)基礎(chǔ)、經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)算法以及應(yīng)用方向做了一定深入思考。如對(duì)于人工智能視覺(jué)技術(shù)，我們選擇了相對(duì)輕量級(jí)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)以及圖像處理與分析技術(shù)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)主要研究單幅或多幅圖像的三維場(chǎng)景，圖像處理與分析技術(shù)的研究對(duì)象主要是二維圖像，實(shí)現(xiàn)圖像的轉(zhuǎn)化，尤其擅長(zhǎng)像素級(jí)操作。從最基本的圖像/視頻采集、顏色識(shí)別、二維碼識(shí)別、幾何圖形識(shí)別與繪畫(huà)等入門(mén)技術(shù)，到物體分類模型、人臉檢測(cè)模型、物體識(shí)別模型等進(jìn)階技術(shù)，我們盡量把技術(shù)難度降低。首先讓學(xué)生了解人是如何進(jìn)行這些工作的，理清順序之后，再遷移到計(jì)算機(jī)是如何完成這些工作的，中間需要什么來(lái)輔助完成，涉及什么原理等。在實(shí)踐過(guò)程中，我們選擇了國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的K210芯片的主控板、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)開(kāi)源圖形化編程軟件。這順延了前置課程中的程序設(shè)計(jì)和IoT入門(mén)所使用的軟件與部分開(kāi)源傳感器，讓學(xué)生有足夠的基礎(chǔ)，同時(shí)也免去了更換軟硬件的麻煩。

除了常規(guī)課程按這個(gè)知識(shí)圖譜進(jìn)行教學(xué)外，在第二課堂的內(nèi)容選擇上，我們也參考了該圖譜。這樣，優(yōu)秀的學(xué)生就能夠自己根據(jù)圖譜確定深入學(xué)習(xí)的方向與路徑。在該圖譜的引導(dǎo)下，在2019年首屆國(guó)際中學(xué)生人工智能交流展示活動(dòng)上，我校學(xué)生展示的項(xiàng)目獲得了全場(chǎng)評(píng)委的一致好評(píng)，奪得了珠峰獎(jiǎng)（全場(chǎng)冠軍）。

（三）教學(xué)過(guò)程與生活和學(xué)習(xí)深度整合

一方面，人工智能涉及較多數(shù)理邏輯和信息技術(shù)等學(xué)科的背景知識(shí)，內(nèi)容抽象且枯燥;另一方面，它與其他學(xué)科的交叉融合非常明顯。因此，將人工智能與學(xué)生當(dāng)前的學(xué)科知識(shí)相結(jié)合，不僅可以把人工智能學(xué)科知識(shí)教授給學(xué)生，還可以把人工智能賦能學(xué)科落到實(shí)處。與此同時(shí)，我們沒(méi)有按照多數(shù)教材“先講系統(tǒng)理論與知識(shí)，再做綜合應(yīng)用案例”的順序開(kāi)展教學(xué)，而是采取了“邊學(xué)邊做”的方式，即只要所講的知識(shí)可以應(yīng)用，馬上就以實(shí)際應(yīng)用作為延伸來(lái)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用。

以輕人工智能課程“幾何圖形識(shí)別”為例，教師就引導(dǎo)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)來(lái)解決數(shù)學(xué)問(wèn)題，再運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)的應(yīng)用，使學(xué)生在學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)的同時(shí)，也鞏固了學(xué)科知識(shí)。首先，教師在計(jì)算機(jī)屏幕上畫(huà)一個(gè)圓和一個(gè)矩形，要求學(xué)生求出圓和矩形的面積比。由于不知道圓和矩形的任何一項(xiàng)數(shù)據(jù)，以學(xué)生現(xiàn)有的數(shù)學(xué)知識(shí)無(wú)法解決這一問(wèn)題。教師告訴學(xué)生可以通過(guò)應(yīng)用人工智能技術(shù)加以解決，學(xué)生的好奇心由此被激發(fā)。接著，教師向?qū)W生介紹了幾何圖形的識(shí)別流程：采集圖像→圖像分析（找出邊緣點(diǎn)并記錄像素坐標(biāo)）→求圖像面積（所有內(nèi)部點(diǎn)的個(gè)數(shù)）→求圖像周長(zhǎng)（所有邊緣點(diǎn)的個(gè)數(shù)）→求周長(zhǎng)與面積的比值確定圖形→繪畫(huà)出識(shí)別到的圖形。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，教師向?qū)W生介紹的只是流程，而不是原理。畢竟要跟學(xué)生講霍夫變換，不亞于講“天書(shū)”。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)上跳過(guò)了這一內(nèi)容，但又在授課平臺(tái)上留下了霍夫變換原理的鏈接，供有興趣的學(xué)生在課后學(xué)習(xí)。了解了識(shí)別流程之后，學(xué)生知道，在繪畫(huà)出識(shí)別到的圖形時(shí)，即可分析出該圖形的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。譬如：圓的圓心坐標(biāo)位置、半徑，矩形左上角的坐標(biāo)位置，矩形的寬度和高度。結(jié)合他們已有的“求面積公式”知識(shí)，就能夠求出繪畫(huà)出來(lái)的圓和矩形的面積。由于它們與原圖的比例是一致的，當(dāng)我們求出繪畫(huà)的圓和矩形的面積比，也就能求出教師給出的圓和矩形的面積比了。在這個(gè)過(guò)程中，教師只需要告訴學(xué)生如何識(shí)別圓形和矩形，接下來(lái)的事情學(xué)生基本上都可以自己完成。完成這個(gè)例子之后，教師又拋出另一個(gè)問(wèn)題“已知屏幕左邊的圓的半徑為15 cm，求右邊的正方形的邊長(zhǎng)”，以鞏固本節(jié)課學(xué)到的人工智能知識(shí)與數(shù)學(xué)知識(shí)。有了前面的例子，這個(gè)問(wèn)題就容易多了。在課堂的最后環(huán)節(jié)，教師要求學(xué)生在教學(xué)平臺(tái)上出一道與識(shí)別圓和矩形有關(guān)的測(cè)量題，看誰(shuí)的題目出得巧妙。解決問(wèn)題容易，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、設(shè)置問(wèn)題就有一定的難度了。學(xué)生只有理解了本節(jié)課所學(xué)的知識(shí)，才能設(shè)計(jì)出更加有技巧性的題目。

中小學(xué)人工智能教育應(yīng)當(dāng)具有鮮明的價(jià)值觀導(dǎo)向。為此，我們?cè)诮虒W(xué)中還特別注意引導(dǎo)學(xué)生細(xì)心觀察身邊的事物，關(guān)愛(ài)身邊的弱勢(shì)群體，對(duì)大自然保持足夠的敬畏之心，對(duì)人工智能技術(shù)形成正確的使用目的、科學(xué)的使用方法。在學(xué)生制作作品的選題上，我們引導(dǎo)學(xué)生往這些方向思考。學(xué)生做出了“基于深度學(xué)習(xí)的養(yǎng)老院老人看護(hù)系統(tǒng)”“基于機(jī)器視覺(jué)的學(xué)生心理健康預(yù)警系統(tǒng)”和“基于孿生網(wǎng)絡(luò)的疫情連鎖防控跟蹤系統(tǒng)”等，體現(xiàn)了學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感與使命感。

輕人工智能教育，我們希望可以通過(guò)研究中小學(xué)生能夠理解與應(yīng)用的人工智能技術(shù)，帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)人工智能世界，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出人工智能應(yīng)用項(xiàng)目作品，使人工智能成為學(xué)生日常生活與學(xué)習(xí)的一部分。

注：本文系廣東省教育廳2019年度教育信息化教學(xué)應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)踐共同體“輕人工智能作品制作與創(chuàng)意”（立項(xiàng)號(hào)：GDSJGTT332）的階段性研究成果。

[作者系廣東順德德勝學(xué)校（國(guó)際）信息技術(shù)教師，廣東教育學(xué)會(huì)網(wǎng)絡(luò)教育專業(yè)委員會(huì)常務(wù)理事]

責(zé)任編輯：牟艷娜